ปรากฏการณ์Hanle ^{[ 1 ]} (หรือที่รู้จักกันในชื่อการข้ามระดับสนามศูนย์^{[ 2 ]} ) คือการลดลงของโพลาไรเซชันของแสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงโพลาไรซ์ เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กโดยทั่วไป เมื่ออะตอมถูกกระตุ้นด้วยแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น ฟลูออเรสเซนซ์ที่ปล่อยออกมาก็จะเป็นโพลาไรซ์เช่นกัน หากใช้สนามแม่เหล็กตามขวางที่อ่อน แสงที่ปล่อยออกมาจะกลายเป็นแสงที่ไม่โพลาไรซ์ (หรือโพลาไรเซชันของมันจะหมุน)

ผลกระทบนี้สามารถนำไปใช้ในการทดลองเพื่อวัดอายุการใช้งานของสถานะที่ถูกกระตุ้น^{[ 3 ]}และตรวจจับการมีอยู่ของสนามแม่เหล็ก^{[ 4 ]}

ต่างจากปรากฏการณ์ฟาราเดย์ซึ่งทำให้เกิดการหมุนโพลาไรเซชันตามสัดส่วนของระยะทางที่เดินทางภายในสนามแม่เหล็ก แต่สำหรับปรากฏการณ์ฮันเล การลดทอนการหมุนจะถึงค่าสูงสุดทันทีที่ตัวอย่างสัมผัสกับสนามแม่เหล็กตามยาว และไม่มีความขึ้นอยู่กับระยะทางที่เดินทางในสนามแม่เหล็ก^{[ 5 ]}

หลักฐานเชิงทดลองแรกสำหรับปรากฏการณ์นี้มาจากRobert W. Wood [ ^{6 ] [ 7 ] และ} Lord Rayleigh [ ^{8 ] ปรากฏการณ์}นี้ตั้งชื่อตามWilhelm Hanleซึ่งเป็นคนแรกที่อธิบายปรากฏการณ์นี้ในแง่ของฟิสิกส์คลาสสิกในZeitschrift für Physikในปี 1924 ^{[ 9 ] [ 10 ]}ในตอนแรก สาเหตุของปรากฏการณ์นี้เป็นที่ถกเถียงกัน และนักทฤษฎีหลายคนเข้าใจผิดคิดว่าเป็นปรากฏการณ์ ฟา ราเดย์ รูปแบบหนึ่ง ความพยายามที่จะเข้าใจปรากฏการณ์นี้มีความสำคัญต่อการพัฒนา ฟิสิกส์ควอนตัมในเวลาต่อมา^{[ 11 ]}

การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเบื้องต้นเกี่ยวกับผลกระทบของการข้ามระดับได้รับการนำเสนอโดยGregory Breit ^{[ 12 ]}

คำอธิบายแบบดั้งเดิมสำหรับปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับแบบจำลองออสซิลเลเตอร์ของลอเรนซ์ซึ่งถือว่าอิเล็กตรอนที่ยึดติดกับนิวเคลียสเป็นออสซิลเลเตอร์แบบคลาสสิก เมื่อแสงมีปฏิสัมพันธ์กับออสซิลเลเตอร์นี้ มันจะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการโพลาไรเซชัน ดังนั้น รังสีที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่นี้จึงมีโพลาไรเซชันในทิศทางเดียวกับแสงที่ตกกระทบ ดังที่อธิบายไว้ในพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิก

พิจารณาแสงที่เคลื่อนที่ไปตามแกน y โดยมีโพลาไรเซชันเชิงเส้นตรงกับสนามไฟฟ้าตามแกน x ตกกระทบอะตอมเดี่ยวในเซลล์ไอระเหย เซลล์ไอระเหยวางอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอตามแกน z มีการติดตั้งตัวตรวจจับเพื่อตรวจสอบแสงฟลูออเรสเซนต์ที่ปล่อยออกมาตามแกน z จากเซลล์ไอระเหยและวัดโพลาไรเซชันของแสงในระนาบ xy

สนามไฟฟ้าที่สั่นไหวของแสงตกกระทบเหนี่ยวนำให้เกิดการสั่นในอิเล็กตรอนตามแนวแกน x สนามไฟฟ้าที่เกิดจากไดโพลเหนี่ยวนำตามแนวแกน z มีค่าดังนี้

${\displaystyle \mathbf {E} (z,t)={\frac {\omega _{0}^{2}}{4\pi \epsilon _{0}c^{2}}}\mathbf {p} '(t-z/c){\frac {\cos[kz-\omega _{0}(t-t_{0})]}{z}}}$

โดยที่คือความถี่เชิงมุมของแสงตกกระทบ และคือเวลาที่อิเล็กตรอนถูกกระตุ้น ${\displaystyle \omega _{0}}$${\displaystyle t_{0}}$

ส่วนประกอบของแสงฟลูออเรสเซนต์ที่โพลาไรซ์ทำมุมกับแกน x ที่ตัวตรวจจับจะมีค่าความเข้มดังนี้ ${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle I(\alpha ,t)={\frac {\omega _{0}^{4}p_{0}^{2}}{64\pi ^{2}\epsilon c^{3}}}e^{-(t-t_{0})/\tau \{1+cos[2(\omega _{L}(t-t_{0})-2\alpha ]\}}}$

โดยที่คือความถี่ลาร์มอร์ และคืออัตราการลดทอนของรังสีฟลูออเรสเซนซ์ ${\displaystyle \omega _{L}=g_{J}eB/(2m_{0})}$${\displaystyle 1/\tau }$

พิจารณาอะตอมในเซลล์ไอระเหยที่ถูกกระตุ้นด้วยอัตราคงที่ความเข้มที่สภาวะคงที่ที่ตัวตรวจจับสามารถหาได้โดยการอินทิเกรตตลอดช่วงเวลาการกระตุ้นจากถึงซึ่งจะ ได้${\displaystyle N}$${\displaystyle R}$${\displaystyle t_{0}}$${\displaystyle -\infty }$${\displaystyle t}$

${\displaystyle I(\alpha )=NR{\frac {p_{0}^{2}\omega _{0}^{4}}{128\pi ^{2}\epsilon _{0}c^{3}}}\left[{\frac {1}{\gamma }}+{\frac {\gamma \cos(2\alpha )}{\gamma ^{2}+\omega _{L}^{2}}}+{\frac {\sin(2\alpha )}{\gamma ^{2}+\omega _{L}^{2}}}\right]}$

ระดับการโพลาไรเซชันคือ

${\displaystyle P={\frac {I_{x}-I_{y}}{I_{x}+I_{y}}}={\frac {1}{1+(g_{J}e\tau /m_{0}c)^{2}B^{2}}}}$

โดยที่และคือความเข้มของส่วนประกอบโพลาไรซ์ในแนวแกน x ( ) และส่วนประกอบโพลาไรซ์ในแนวแกน y ( ) ซึ่งมีรูปร่างแบบลอเร น ซ์เป็นฟังก์ชันของความแรงของสนามแม่เหล็ก${\displaystyle I_{x}}$${\displaystyle I_{y}}$${\displaystyle \alpha =0}$${\displaystyle \alpha =\pi /2}$${\displaystyle B}$

แสงโพลาไรซ์กระตุ้นอะตอมให้เกิดการซ้อนทับกันอย่างสอดคล้องของระดับย่อยซีแมนในสถานะกระตุ้น สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้สถานะซ้อนทับกันอย่างสอดคล้องนี้หมุนวนรอบทิศทางของสนามด้วยความถี่ลาร์มอร์:

${\displaystyle \omega _{L}={\frac {eB}{2m_{e}}}=g_{J}\mu _{B}B/\hbar }$

ขณะที่อะตอมหมุนควงก่อนที่จะปล่อยโฟตอนออกมา โพลาไรเซชันของโฟตอน ที่ปล่อยออกมา จะหมุนหรือจางหายไป หากคาบการหมุนควงเทียบเท่าหรือสั้นกว่าอายุขัยของสถานะกระตุ้น จะเกิดการลดโพลาไรเซชันอย่างมีนัยสำคัญ

การสังเกตปรากฏการณ์ฮันเล (Hanle effect) ของแสงที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ ถูกนำมาใช้ในการวัดสนามแม่เหล็กภายในดวงอาทิตย์โดยอ้อม ดูเพิ่มเติมได้ที่:

• การโพลาไรเซชันในทางดาราศาสตร์
• การถ่ายภาพสเปกโทรสโกปี

ผลกระทบนี้ได้รับการพิจารณาในเบื้องต้นในบริบทของก๊าซ ตามด้วยการประยุกต์ใช้กับฟิสิกส์ของของแข็ง^{[ 13 ]}มีการใช้เพื่อวัดทั้งสถานะของอิเล็กตรอนเฉพาะที่^{[ 14 ]}และอิเล็กตรอนอิสระ [ ^{15 ] สำหรับ}กระแส ไฟฟ้า ที่มีการโพลาไรซ์สปินผลกระทบของ Hanle ช่วยให้สามารถวัดอายุการใช้งานของสปินที่มีประสิทธิภาพในอุปกรณ์เฉพาะได้^{[ 16 ]}

การตัดผ่านระดับ Hanle ที่ไม่มีสนามเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งสถานะที่เสื่อมสภาพที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์จะถูกแยกออกเนื่องจากผลของ Zeemanนอกจากนี้ยังมีการตัดผ่านระดับ Stark ที่ไม่มีสนามซึ่งคล้ายคลึงกันมากกับสนามไฟฟ้า ซึ่งสถานะที่เสื่อมสภาพที่สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์จะถูกแยกออกเนื่องจากผลของ Starkการทดสอบการตัดผ่านระดับ Stark ที่ไม่มีสนามเกิดขึ้นหลังจากการวัดแบบ Hanle และโดยทั่วไปแล้วพบได้น้อยกว่าเนื่องจากความซับซ้อนของการทดลองที่เพิ่มขึ้น^{[ 17 ]}

• การเคลื่อนที่แบบลาร์มอร์
• เรโซแนนซ์ฟลูออเรสเซนซ์
• การปั๊มแสง